Режим работы электрического двигателя

а — двигательный;  

б — генераторный;  

в — тормоза; 

г — трансформатора (или короткого замыкания). 

Направление преобразования энергии изменяется на обратное: механическая мощность Рг, подведенная к валу машины, преобразуется в электрическую мощность Plt поступающую в сеть. Поскольку мощность потерь всегда положительна (в любом режиме работы эти мощности превращаются в тепло), механическая мощность: 

Ρмех = Ρэм - Ρэ2 < 0   при   s < 0 

по абсолютному  значению больше, чем электромагнитная (рис. 3.2): 

|Ρмех| = | Ρэм  | + Ρэ2 
 
 

Рис. 3.2. Электромеханические  характеристики асинхронной машины (в относительных единицах при 1/х = 1; /0 = 0,364; cos <р0 = 0,185; Хг = Х'2 = 0,125; Кг = 0,0375; R's = 0,0425). 

По той же причине потребляемая механическая мощность 

P2 = P1 - ΣΡ  < 0 

по абсолютному  значению на потери больше электрической  мощности, отдаваемой в сеть: 

|Ρ2| = | Ρ1 | + ΣΡ, 

и КПД генератора 

η =  = 1-. 

В режиме тормоза (область Т на рис. 3.2) под воздействием внешнего момента Мв < 0, направленного против вращения поля (рис. 3.1, в), ротор машины вращается в сторону, противоположную полю (Ω<0, s =  >1). В этом режиме электромагнитный момент М, уравновешивающий внешний момент, как и в режиме двигателя (направление вращения поля Ω.5 относительно ротора остается таким же, как в режиме двигателя), направлен в сторону поля и считается положительным (М > 0). Однако, поскольку Ω < 0, механическая мощность оказывается отрицательной: 

Ρмех = ΜΩ = Ρэ2  < 0 

Это означает, что  она подводится к асинхронной  машине. Электромагнитная мощность в  этом режиме положительна: 

Ρэм = ΜΩ1 =  > 0 

Это означает, что  она поступает из сети в машину. 

Подведенные к  ротору машины со стороны сети |Ρэм| и вала |Ρмех|  мощности превращаются в электрические потери Рэ2 в сопротивлении ротора R'2 (рис. 3.2): 

|Ρмех| + | Ρэм  | = Ρэ2  + Ρэ2 = Ρэ2 = m1 R'2(I '2)2 . 

Асинхронная машина в этом режиме может быть использована для притормаживания опускаемого подъемным краном груза. При этом мощность | Ρмех | = | ΜΩ | поступает в ротор машины (см. рис. 3.1). 

В режиме идеального холостого хода внешний вращающий  момент Μв, момент трения Μт = Ρт/Ω и момент, связанный с добавочными потерями, Мд = Ρд/Ω равны нулю. Ротор вращается со скоростью поля (Ω = Ω1, s = 0) и не развивает полезной механической мощности (М = 0, Рмех = ΜΩ = 0). 

В режиме идеального холостого хода внешний момент, приложенный  к валу машины, равен нулю (Мв = 0). Считается также, что отсутствует момент от трения вращающихся частей. Ротор машины вращается с той же угловой скоростью, что и вращающееся поле (Ω = Ω1), скольжение равно нулю (s = 0); ЭДС и токи в обмотке ротора не индуктируются (I2=0), и электромагнитный момент, уравновешивающий внешний момент и момент сил трения, равен нулю (М = 0). 

Режим холостого  хода асинхронной машины аналогичен режиму холостого хода трансформатора. В асинхронной машине и в трансформаторе ток в этом режиме имеется только в первичной обмотке I1 ≠ 0, а во вторичной — отсутствует (I2 = 0); в машине и в трансформаторе магнитное поле образуется в этом режиме только первичным током, что позволяет называть ток холостого хода намагничивающим током (I1 = I0). В отличие от трансформатора система токов I0 в фазах многофазной обмотки статора образует вращающееся магнитное поле. 

По аналогии с трансформатором уравнение  напряжений необходимо составить при  холостом ходе только для фазы обмотки  статора, являющейся первичной обмоткой: 

, 

где   —  ЭДС, индуктированная в фазе вращающимся магнитным полем с потоком Фга;  

   —   фазное напряжение первичной  сети;  

R1, Х1  — активное и индуктивное сопротивления рассеяния фазы первичной обмотки (см. далее).  

В силу малости  падений напряжений X1I0 и R1I0 напряжение  почти полностью уравновешивается ЭДС   т. е.  = -. 
 
 

В режиме холостого   хода R'мех = R'2 = ∞,    ток   R'2 = 0 и схема замещения содержит только одну ветвь Z1 + Z0 (Т-образная и Г-образная схемы не отличаются друг от друга). 

В режиме короткого  замыкания под действием внешнего момента Μ в, уравновешивающего  электромагнитный момент М, ротор удерживается в неподвижном   состоянии (Ω = 0, s =  = 1) и не совершает полезной механической работы (Рмех = Μ Ω = 0). 

Направление тока i2a и электромагнитного момента  Μ остается таким же, как в режиме двигателя, и Μ > 0 (см. рис. 3.1, г). Электромагнитная мощность Рэм = ΜΩ1 > 0 — она поступает  в ротор из статора и превращается в электрические потери (Рэм = = Рэ2). В этом режиме асинхронная машина работает как коротко-замкнутый со вторичной стороны трансформатор, отличаясь от него только тем, что в ней существует вращающееся поле взаимной индукции вместо пульсирующего поля в трансформаторе. 

В режиме короткого  замыкания R'мех = R'2 = 0 и сопротивление схемы замещения по рис. 42-3 определяется параллельно включенными сопротивлениями Z1 + Z0 и Z1 + Z'2. Имея в виду, что |Z1 + Z'2| « |Z1 + Z0|, можно отбросить ветвь Z1 + Z0 и считать сопротивление схемы замещения при коротком замыкании равным 

Zк = Z1 + Z'2 = Rк + jXк     (43-3) 

где 

Rк= R1+ R'2 

Если к неподвижному ротору асинхронной машины подключить симметричную систему дополнительных сопротивлений R2д + jХ2д, то она будет  работать как трансформатор, преобразующий  электрическую энергию, поступающую  из первичной сети, в электрическую  энергию с другими параметрами, потребляемую дополнительными сопротивлениями R2д + jХ2д. Поэтому режим при s = 1 называется также режимом трансформатора. 

Изменить режим  работы асинхронной машины или скольжение машины в данном режиме (при U1 = const и f1 = const) можно только путем изменения внешнего момента Мв, приложенного к валу машины. При Мв = 0 ротор вращается со скоростью поля (Ω = Ω1, s = 0) и машина не совершает полезного преобразования энергии. При воздействии на вал ротора внешнего момента Мв, направленного против направления вращения поля, скорость ротора уменьшается до тех пор, пока не появится электромагнитный момент Μ = f(s),  который уравновесит момент Мв. Машина переходит в режим   двигателя s =  > 0.    Наоборот,   при   воздействии внешнего момента Мв направленного по вращению поля, скорость ротора делается большей, чем скорость поля (Ω > Ω1), и машина переходит в режим генератора (s=<0). 

Наконец, к режиму тормоза можно перейти из режима двигателя, изменяя внешний момент Мв таким образом, чтобы ротор сначала остановился, а затем пришел во вращение в противоположную сторону (по отношению к полю). 

Список литературы 

Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины: Учебник для вузов. – М.: Энергия, 1980. – 928 с., ил. 

Вольдек А. И. Электричесие машины. Учебник для студентов высших учебн. Заведений. Л., «Энергия», 1974. 

Проектирование  электрических машин: Учеб. Для вузов / Под ред. И. П. Копылова. М.: Высш. Шк., 2002. – 757 с.: ил. 
 
 
 

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ 

  

В зависимости  от характера изменения нагрузки во времени различают продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный  режимы работы рабочих машин. Номинальным  режимом электрической машины называют режим работы, для которого машина предназначена предприятием-изготовителем. 

Номинальный режим  указывают на заводском щитке  условными обозначениями S1, S2, S3 и  т. д. 

·  Основные номинальные  режимы работы электродвигателей (рис. 2): продолжительный — S1, 

·  кратковременный  — S2, 

·  повторно-кратковременный— S3,  

·  перемежающийся — S6. 

Дополнительные  номинальные режимы: повторно-кратковременный  с частым пуском S4, повторно-кратковременный  с частыми пусками и электрическим  торможением S5, перемежающийся с частыми  реверсами S7, перемежающийся режим  с изменением частоты вращения S8. 

Продолжительный режим (S1) характеризуется тем, что  температура всех частей электродвигателя при работе с постоянной нагрузкой  достигает установившегося значения. За малый промежуток времени в  двигателе выделяется теплота. Часть  ее отдается в окружающую среду, а  другая сообщается всему объему двигателя. Температуру считают установившейся, если в течение часа работы она  увеличивается не более чем на один градус. Такое состояние в  электродвигателе наступает при  работе с постоянной нагрузкой в  течение времени, равным 4Т. Следовательно, при времени работы, равным 4Т и больше, режим работы продолжительный. 

Температура двигателя  достигает практически установившегося  значения за время, равное 4Т. Охлаждается  двигатель медленнее, если он не вращается. В этом случае теплоотдача уменьшается  примерно в два раза и соответственно увеличивается постоянная времени  переходного процесса и само время. 

Кратковременный режим (S2) характеризуется тем, что  в рабочий период температура  двигателя не успевает достигнуть установившегося  значения, а пауза столь продолжительна, что температура двигателя снижается  до температуры охлаждающей среды, при этом tР<.4Т; tп<4Т0, 

При повторно-кратковременном  режиме (S3) кратковременные периоды  нагрузки чередуются с непродолжительными периодами отключения двигателя. При  этом tР<.4Т; tn<Т0, то есть ни в одном из периодов температура не достигает установившегося значения, но среднее ее значение устанавливается неизменным. 

Повторно-кратковременный  режим характеризуется относительной  продолжительностью рабочего периода  и длительностью цикла. Относительная  продолжительность рабочего периода, выраженная в процентах, называется относительной продолжительностью включения и обозначается ПВ %. Номинальной  длительностью цикла считают 10 мин. 
 

ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ 

  

ПО МОЩНОСТИ, ЧАСТОТЕ ВРАЩЕНИЯ, ТИПУ И ИСПОЛНЕНИЮ 

  

При выборе электродвигателей  и способов регулирования для  производственных машин, требующих  электрического регулирования скорости, приходится учитывать ряд технических  требований. Основными из них являются: диапазон и плавность регулирования, стабильность скорости, надежность и  простота управления. В этом случае на производстве чаще применяют асинхронные  двигатели с фазным ротором, многоскоростные  короткозамкнутые двигатели, двигатели  повышенного скольжения с короткозамкнутым ротором. Правильный выбор номинальной  мощности электродвигателя определяет экономическую эффективность привода.  

1. Применение  двигателя недостаточной мощности  приводит к преждевременному  выходу его из строя. Использование  двигателей завышенной мощности  ведет к увеличению первоначальной  стоимости электропривода и к  увеличению расхода электроэнергии. 

2. При выборе  электродвигателя по номинальной  частоте вращения учитывают экономические  и технические показатели. Так,  масса и стоимость быстроходных  двигателей меньше, а номинальные  к. п. д. и коэффициент мощности  больше. 

В большинстве  случаев частота вращения приводных  валов машин, за исключением вентиляторов и центробежных насосов, не совпадает  со стандартными частотами вращения электродвигателей. Поэтому приходится учитывать стоимость и к. п. д. механических передач. 

Технико-экономические  расчеты и практический опыт показывают, что в большинстве случаев  наиболее экономичны двигатели с  частотой вращения 1500 об/мин. Число таких двигателей в сельском хозяйстве превышает 90%. 

Двигатели на 3000 об/мин применяют для привода центробежных насосов и вентиляторов большого напора. 

Двигатели на 1000 об/мин используют для привода поршневых компрессоров, вентиляторов среднего напора большой производительности и в других случаях, когда возможно прямое соединение с валом рабочей машины. Тихоходные двигатели обладают техническим преимуществом по сравнению с быстроходными в том случае, когда осуществляются частые пуски и реверсы. При этом решающими факторами становятся потери энергии и время переходных процессов, а тихоходные двигатели, обладая малой величиной кинетической энергии ротора, обеспечивают меньшие потери энергии и время переходных процессов.